電力電子變流技術(shù)相關(guān)知識(shí)

1、第一章電力半導(dǎo)體器件習(xí)題與思考題解1-1 晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？怎樣使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？解：晶閘管導(dǎo)通的條件是：陽(yáng)極承受正向電壓，處于阻斷狀態(tài)的晶閘管，只有在門極加正向觸發(fā)電壓， 才能使其導(dǎo)通。 門極所加正向觸發(fā)脈沖的最小寬度， 應(yīng)能使陽(yáng)極電流達(dá)到維持通態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流，即擎住電流I L以上。導(dǎo)通后的晶閘管管壓降很小。使導(dǎo)通了的晶閘管關(guān)斷的條件是： 使流過(guò)晶閘管的電流減小至某個(gè)小的數(shù)值維持電流I H以下。其方法有二：1)減小正向陽(yáng)極電壓至某一最小值以下，或加反向陽(yáng)極電壓；2)增加負(fù)載回路中的電阻。1-2型號(hào)為KP100-3 的晶閘管，維持電流I H=4mA ， 使用在題 1-2 圖

2、中的電路中是否合理？為什么(不考慮電壓、電流裕量)？解：根據(jù)機(jī)械工業(yè)部規(guī)范JB1144-75規(guī)定，KP型為普通閘管，KP100-3的晶閘管，其中 100 是指允許流過(guò)晶閘管的額定通態(tài)平均電流為 100A， 3表示額定電壓為300V。對(duì)于圖(a),假若晶閘管 V被觸發(fā)開通，由于電源為直流電源，則晶閘管流過(guò)的最大電流為因?yàn)镮v < Ih,而Ih < Il, Il為擎住電流，通常Il=(24) Ih?？梢姡чl管流過(guò)的最大電流遠(yuǎn)小于擎住電流，所以，圖(a)不合理。對(duì)于圖(b),電源為交流220V,當(dāng)“ =0°時(shí)，最大輸出平均電壓(V)平均電流(A)波形系數(shù)所以，Iv=K。I V

3、AR = 1.57 X 9.9 = 15.5(A)而KP100-3允許流過(guò)的電流有效值為I ve= 1.57 X 100= 157(A) , Il< I v<I ve,所以，電流指標(biāo)合理。但電路中晶閘管V可能承受的最大正反向峰值電壓為U Fm U Rm . 2U .2 220 311(V)>300(V)所以，圖(b)不滿足電壓指標(biāo)，不合理。對(duì)于圖(c),電源為直流電源，V觸發(fā)導(dǎo)通后，流過(guò)V的最大電流為Iv= 150/1 = 150(A), 即為平均值，亦是有效值。而Ive=150A, Iv=150(A)<157 (A),即Il< Iv<Ive,所以電流指標(biāo)合

4、理。同時(shí)，晶閘管承受的正向峰值電壓為150V,小于300V,電壓指標(biāo)合理。所以圖(c)合理。1-3.在題圖1-3電路中，E=50V, R=0.5 Q , L=0.5H ,晶閘管擎住電流為 15mA。要使晶閘管導(dǎo)通，門極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)為多少?解：晶閘管導(dǎo)通后，主回路電壓方程為L(zhǎng) did出RidE主電路電流id按下式由零上升E did R1tR/Le晶閘管要維持導(dǎo)通，id必須上升達(dá)到擎住電流值以上，在此期間，門極脈沖應(yīng)繼續(xù)維持, 將Id=15mA代入，得50 t31 et15 10 30.50150 科 s。所以，門極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)大于150d s。1-4.單相正弦交流電源，交流電

5、源電壓有效值為220V。晶閘管和負(fù)載電阻串聯(lián)連接。試計(jì)算晶閘管實(shí)際承受的最大正反向電壓。若考慮晶閘管的安全裕量，其額定電壓應(yīng)如何選?。拷猓涸撾娐愤\(yùn)行可能出現(xiàn)施加于晶閘管上最大正反向峰值電壓為V2U<2 220 310 (V)若考慮晶閘管的安全裕量，通常選擇額定電壓為正常工作峰值電壓的2 3倍。2X310 = 620(V),3X 310=930(V),則選擇額定電壓為 700V1000V的晶閘管。1-5.若題1-4中晶閘管的通態(tài)平均電流為100A,考慮晶閘管的安全裕量，試分別計(jì)算導(dǎo)電角為180°和90°時(shí)，電路允許的峰值電流各是多少？解：在不考慮安全裕量時(shí)，選擇晶閘管的

6、原則是：使實(shí)際運(yùn)行管子電流的有效值IV1等于定義管子額定通態(tài)平均電流時(shí)的電流有效值Ive,即兩種情況下，管芯的結(jié)溫相同并小于或等于額定結(jié)溫。當(dāng)導(dǎo)通角0 = 180°時(shí)，IV1 晝 01msin t 2dt1；則有I m/2 = 1.57 I vear所以，晶閘管允許的峰值電流為I m=2X 1.57 X 100= 314 (A)當(dāng)導(dǎo)通角0 = 90°時(shí)，Im57I VEAR則有2.2所以，晶閘管允許的峰值電流為1m 2 2 1.57 100 444(A)考慮取安全裕量數(shù)為 2時(shí)，則當(dāng)導(dǎo)通角0=180。時(shí)，電路允許的峰值電流為Im=314/2= 157 A,當(dāng)導(dǎo)通角0=90&

7、#176;時(shí)，電路允許的峰值電流為I m2= 444/2 = 222(A).1-6.題1-6圖中陰影部分表示晶閘管導(dǎo)電區(qū)間。各波形的電流最大值均為Im,試計(jì)算各波形電流平均值Id1、I d2、I d3、I d4、I d5,電流有效值11、I 2、I 3、I 4、I 5和它們的波形系數(shù)Kf1、K2、K3、K4、Kf5.Im0.32ImIi1mSin tIm20.5ImKfedi1.57 2I d21m.Sin tdIm0.24Im1-21 ImSin t d t 0.46I2 30.49Im0.23Im1.92,2,3 .-I d 3I m .Sin td t 2 I d 2 I m 0.48

8、I m2321 一I2 .I mSin t d tI 3K f30.65Im0.65ImI d30.48Im1.35I d4Im.dtImIm0.25ImKf4I d5I4Imdt2 0ImIm0.5ImI4I d4ImIm.dtImIm0.125Img 041mdtIm0.35I m解：Id12- 0 Im.Sin td2*2f5I4I d4ImIm2.83I d3、1-7 .題1-6中如果不考慮安全裕量，問(wèn)100A晶閘管能送出的電流平均值Idi、Id2I d4、I d5各是多少？這時(shí)相應(yīng)的電流最大值Imi、I mKI m3Im4、Im5又是多少？解：額定通態(tài)平均電流Ivear為100A的晶

9、閘管允許通過(guò)電流的有效值為IVE Ivear kfe1100 1.57157A利用上題結(jié)果，圖 皿IVE 157 A12則 Im1=314(A)I d1Im3143.14100A88圖(b) I 2 0.46 I m IVE 157A則 I m2 =341(A)Id2 0.24Im 81.8A圖 I 3 0.65I m IVE 157A則 I m3 =241(A)I d3 0.48Im 115.9A圖(d) I40.5Im IVE 157A則 I m =314(A)Id4 0.25Im 78.5A圖(e)511mIVE157 A則 I m=444(A)I d5Im44455.5A1-8.晶閘管

10、的額定電流是怎樣定義的？有效值和平均值之間有何關(guān)系?解：晶閘管的額定電流即指其額定通態(tài)平均電流I VEAR.它是在規(guī)定的條件下，晶閘管允許連續(xù)通過(guò)工頻正弦半波電流的最大平均值。如教材圖1-8所示。這些條件是：環(huán)境溫度 +4 0C,冷卻條件按規(guī)定，單相半波整流電路為電阻負(fù)載，導(dǎo) 通角不小于170 C,晶閘管結(jié)溫不超過(guò)額定值。額定通態(tài)平均電流 I VEA舶電流等級(jí)如教材表1 - 2所示。 通常50 A以下的管子分為 1、 5、10、20、30、50A等級(jí)，100 1000A的管子分為 100、200、300、400、500、600、800、 1000 A等級(jí)。額定通態(tài)平均電流I vea點(diǎn)在同一定義

11、條彳下的有效值Ive具有如下關(guān)系：I VE K feVEAR其中，Kfe 1.57 為定義條件下的波形系數(shù)。1 VEAR 21-9.導(dǎo)通角e不同，電流的波形不一樣，如何來(lái)選擇晶閘管的電流容量？解：導(dǎo)通角e不同，電流的波形不一樣，因而波形系數(shù)亦不相同，e角愈小，波形系數(shù)愈大。晶閘管電流的有效值、平均值 IV1AR與波形系數(shù)K1具有如下關(guān)系： I V1 = Kf1 I V1AR具有相同平均值而波形不同的電流，因波形不同，其有效值是不相同的。流經(jīng)同一晶閘管發(fā)熱情況也不相同，因?yàn)闆Q定發(fā)熱的因素是電流的有效值，管芯發(fā)熱效應(yīng)是和電流的有效值大小有關(guān)。因此，選擇晶閘管額定電流參數(shù)的原則是：使電路各種實(shí)際運(yùn)行

12、情況下（特別是最不利的情況）管芯的結(jié)溫小于或等于額定結(jié)溫。這樣，就能保證晶閘管在實(shí)際運(yùn)行工作時(shí)，不致于因電流過(guò)載而損壞。上述這一原則可歸結(jié)為：使實(shí)際運(yùn)行管子電流波形的有效值I vi,等于定義管子額定通態(tài)平均電流I vear時(shí)的電流有效值Ive ,即I V1 I VE KfeVEAR則晶閘管額定電流I VEAR1V1 V1Kfe 1571-10.晶閘管導(dǎo)通后，門極改加適當(dāng)大小的反向電壓，會(huì)發(fā)生什么情況？解：晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，并已導(dǎo)通的情況下，門極就失去了控制作用。因此，晶 閘管導(dǎo)通后，門極改加適當(dāng)大小的反向電壓，晶閘管將保持導(dǎo)通狀態(tài)不變。1-11 .門極斷路時(shí)，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓它會(huì)導(dǎo)

13、通嗎？若真的導(dǎo)通，是什么情況？解：門極斷路時(shí)，晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓，有兩種情況可造成晶閘管的非正常導(dǎo)通。一是陽(yáng)極電壓Ua過(guò)高，達(dá)到或超過(guò)Ig=O時(shí)的轉(zhuǎn)折電壓 UB0時(shí)，使漏電流急劇增加；二是 Ua的電壓上升率 duA / dt太快。這兩種因素造成的最終結(jié)果都是使從N1區(qū)通過(guò)反向偏置的J2結(jié)向P2區(qū)(門極區(qū))注入了足夠數(shù)量的漏電流(空穴流)，充當(dāng)了二等效三極管電路中的基極電流IB2,它相當(dāng)于從門極提供的Ig的作用，使其二等效三極管的a1、a 2極快上升至a 1+“2=1,即1-( “1 +2)-0 ,進(jìn)而使陽(yáng)極電流 I a大大增加，并只受外電路電阻的限制，晶閘管進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。這兩種不加門極觸發(fā)

14、控制信號(hào)使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)的情況是非正常工作 狀態(tài)，在實(shí)際使用中是不允許的，因?yàn)榘l(fā)生此類情況常造成器件的損壞。1-12 .晶閘管的一些派生器件的主要功能和特點(diǎn)是什么？解：晶閘管的一些派生器件的主要功能和特點(diǎn)如下：(1) .快速晶閘管快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)特性比普通晶閘管好，快速晶閘管一般分為兩種，一種是主要是關(guān)斷時(shí)間短，另一種是di/dt是耐受量高。主要用于斬波與高頻逆變電路。(2)。雙向晶閘管雙向晶閘管是一種五層結(jié)構(gòu)的三端器件，具有四種觸發(fā)方式，分別為I+、I -、出+、出=,其中I +、I -觸發(fā)靈敏度較高，m _觸發(fā)靈敏度稍低，較為常用，而出+觸發(fā)靈敏度最低，一般不用，

15、使用不當(dāng)會(huì)損壞晶閘管。 雙向晶閘管主要用于交流電路，例如移相調(diào)壓控制、零 電壓開關(guān)和靜態(tài)開關(guān)等。 由于其內(nèi)部工藝結(jié)構(gòu)關(guān)系，目前器件的額定電壓和額定電流與普通晶閘管相比較還較低，重施加du/出的能力也較差。(3)。逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管是將逆阻型晶閘管和大功率二極管集成在一個(gè)管芯上，與普通晶閘管相比，具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、溫度特性較好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，消除了晶閘管與二極管之間的連線電感，減小了換流時(shí)間，使晶閘管承受反向偏壓的時(shí)間增長(zhǎng)，提高了換流能力。而且減少了裝置的元件數(shù)目，縮小了體積，提高了經(jīng)濟(jì)性能。主要適用于逆變電路和斬波電路。(4).可關(guān)斷晶閘管(GTO)可關(guān)斷晶閘管GTO (

16、 Gate Turn-off Thyristor )既可用門極正脈沖信號(hào)控制其導(dǎo)通，又可用門極負(fù)脈沖信號(hào)控制其關(guān)斷的逆阻型三端器件。與普通晶閘管相比，GTO快速性好，工作頻率高，控制方便，其最高耐壓容量目前稍遜于普通晶閘管。GT O與普通晶閘管的關(guān)斷機(jī)理不同，有兩個(gè)重要的特征參數(shù)需要特別注意，分別為最大可關(guān)斷電流I AT。和電流關(guān)斷增益§ off。其定義分別為最大可關(guān)斷電流Iat。：表征用門極負(fù)脈沖控制信號(hào)可關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流，它是用來(lái) 表征GTO容量大小的參數(shù)。電流關(guān)斷增益3 off :電流關(guān)斷增益的定義為陽(yáng)極電流I a與使其關(guān)斷所需的最小門極電流I Gmin的比值，即Iaoff

17、i 1 G min通常GTO的poff只有5左右，但是，GTO的導(dǎo)通或關(guān)斷只需一個(gè)窄脈沖電流即可，它需要的是瞬時(shí)功率，盡管關(guān)斷時(shí)需要較大的負(fù)門極電流，但平均功率較小。因此，GTO 的平均激勵(lì)功率，比相同容量的大功率晶體管小。1-13 .何謂功率晶體管的開關(guān)特性？用圖描述它的開關(guān)過(guò)程。功率晶體管的開關(guān)特性是描述功率晶體管在開關(guān)過(guò)程中的開關(guān)時(shí)間、電流電壓、開關(guān)損耗等參數(shù)的性能。功率晶體管GTR的開關(guān)時(shí)間可用開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff來(lái)表示，即t on=t d+t r t off =t s+t f其中，td為延遲時(shí)間，tr為上升時(shí)間，ts為存值得時(shí)間，tf為下降時(shí)間。開關(guān)損耗發(fā)生在器件的開關(guān)過(guò)

18、程中，瞬態(tài)功率損耗為p=i Cjc維持的時(shí)間長(zhǎng)了，就有可能導(dǎo)致管子產(chǎn)生二次擊穿?？傞_關(guān)損耗與開關(guān)頻率(開關(guān)次數(shù))有關(guān)，開關(guān)頻率愈高，總開關(guān)損耗愈大。各種參數(shù)的開關(guān)性能描述圖參閱教材P1819 中的圖 1-15 和圖 1-16。1-14 描述功率晶體管的二次擊穿特性？解： 二次擊穿現(xiàn)象在發(fā)射結(jié)正偏壓、 零偏壓和反偏壓都可能發(fā)生， 其特性曲線參閱 教材P19中的圖1 17?，F(xiàn)以零偏壓曲線 OEBGHB說(shuō)明二次擊穿現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程。當(dāng) Uce增大到Usb,即達(dá)到E點(diǎn) 時(shí)，集電極電壓達(dá)到通常所說(shuō)的擊穿電壓，集電結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，這就是一次擊穿。由于一次擊穿效應(yīng)，晶體管的電流迅速上升到B點(diǎn)， 達(dá)到I sb,

19、即達(dá)到了二次擊穿觸發(fā) 功率Psb,進(jìn)入了二次擊穿區(qū)。但并不立即產(chǎn)生二次擊穿，而需要一個(gè)觸發(fā)時(shí)間來(lái)積累觸發(fā) 能量臨界值，一旦達(dá)到這個(gè)臨界值，管壓突然從B點(diǎn) Usb減小到G點(diǎn)的低電壓區(qū)（1015V）, 同時(shí)電流急劇增大。如果沒有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，電流將繼續(xù)沿GH曲線增大到H點(diǎn)，造成管子的永久性損壞。 這種從高電壓小電流向低電壓大電流躍變的現(xiàn)象， 稱為晶體管的二次擊穿。二次擊穿觸發(fā)時(shí)間r,對(duì)于不同類型的二次擊穿， 時(shí)間的長(zhǎng)短相差很大， 短的幾乎是瞬 時(shí)的，晶體管的狀態(tài)不能穩(wěn)定在BG區(qū)域內(nèi)，而且G點(diǎn)是不可逆的， 即使電路的保護(hù)措施可使晶體管回到觸發(fā)前的狀態(tài)， 但二次擊穿已在管子內(nèi)部留下了損害傷痕， 性能

20、變壞， 重復(fù) 幾次仍然使管子永久性失效。1- 5 為什么功率晶體管在開關(guān)瞬變過(guò)程中容易被擊穿？可采取什么措施防止？解： 在電路開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬變過(guò)程中， 電路將產(chǎn)生過(guò)高的電壓或電流， 有可能達(dá)到二次擊穿觸發(fā)功率PSB=ISB. USB,進(jìn)而達(dá)到二次擊穿臨界觸發(fā)能量ESB = PsBp = I S B U S B T ,產(chǎn)生二次擊穿。采用錯(cuò)開關(guān)期間瞬變電流和電壓最大值相位的緩沖吸收保護(hù)電路， 減小開關(guān)期間的瞬時(shí) 功率，是破壞二次擊穿產(chǎn)生的條件，抑制二次擊穿的有效措施。1-16 功率晶體管反偏安全工作區(qū)很大，如何應(yīng)用？解： 在實(shí)際應(yīng)用中， 功率晶體管基極回路采用足夠的反向偏置電壓， 或者在若關(guān)斷 功率晶

21、體管時(shí)， 驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生負(fù)脈沖關(guān)斷電壓， 使晶閘管工作在反向偏置工作區(qū)， 來(lái)提高管 子的電壓承受能力。1-17絕緣柵雙極型功率晶體管（IGBT ）有何突出的優(yōu)點(diǎn)？解：絕緣柵雙極型功率晶體管（IGBT）是兼?zhèn)涔β蕡?chǎng)效應(yīng)管 MOSFET的柵極電壓激勵(lì)、高速開關(guān)特性和 GTR的大電流低導(dǎo)通電阻特性于一體的復(fù)合型器件。1-18. MOS柵控晶閘管（MCT）有何突出的優(yōu)點(diǎn)？解：MOS柵控晶閘管（MCT ）是將MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率與快速的開關(guān) 特性與晶閘管的高電壓大電流特性結(jié)合在一起的新型復(fù)合器件。1-19.功率集成電路 PIC的基本結(jié)構(gòu)組成如何？解：功率集成電路 PIC至少包含一個(gè)半導(dǎo)體功

22、率器件和一個(gè)獨(dú)立功能電路的單片集成電路，PIC分為兩大類：一類是高壓集成電路 HVIC,它是高耐壓功率電子器件與控制電路的單片集成；另一類是智能功率集成電路SPIC（Smart Power-IC）,它是功率電子開關(guān)器件與控制電路、保護(hù)電路、故障監(jiān)測(cè)電路以及傳感器等電路的多種功能電路的集成。第二章單相可控整流電路習(xí)題與思考題解2-1 .什么是整流？它是利用半導(dǎo)體二極管和晶閘管的哪些特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的？解：整流電路是一種 AC/DC變換電路，即將交流電能變換為直流電能的電路，它是 利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦院途чl管是半控型器件的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2-2.某一電熱裝置（電阻性負(fù)載），要求直流平均電壓為75V

23、,電流為20A,采用單相半波可控整流電路直接從 220V交流電網(wǎng)供電。計(jì)算晶閘管的控制角 a、導(dǎo)通角0、負(fù)載 電流有效值，并選擇晶閘管。解：（1）整流輸出平均電壓Ud=（ 2 ,2U2sin .td（ 1）=六 2U2sin .td（ .t）i21 cos1 cos=U2 0.45U222cos a = 2U d 12 751 0.51520.45U 20.45 220控制角a =60°導(dǎo)通角0=兀-“=120°(2) .負(fù)載電流平均值Id=5-=20(A)R貝UR= Ud/Id= 75/20=3.75 Q負(fù)載電流有效值I,即為晶閘管電流有效值Ivi,所以_21 2U2U2

24、1I=lvi = J2sin t d t =sin 2= 37.6(A)2 RR 42(3) .當(dāng)不考慮安全裕量時(shí)I V1 =kfeI VEAR =1.571 VEAR則晶閘管通態(tài)平均電流Ivear = Ivi /1.57=37.4 /1.57=23.9(A)晶閘管可能承受的最大正反向電壓為,2U 2,2 220 311 (V)所以，可選擇額定通態(tài)平均電流為30A、額定電壓為400V的晶閘管。按裕量系數(shù)2,可選擇額定通態(tài)平均電流為50A、額定電壓為700V的晶閘管。2-3.帶有續(xù)流二極管的單相半波可控整流電路，大電感負(fù)載保證電流連續(xù)。試證明輸出整流電壓平均值Ud、.2U 2 1 cos2,并畫

25、出控制角為a時(shí)的輸出整流電壓Ud、晶閘管承受電壓Uvi的波形。解:2U 2 sin1.td( .t) = 、2U2Sin .td( .t)=Fcos21 cos 0.45U 22控制角為a時(shí)的輸出整流電壓Ud、晶閘管承受電壓 UV1的波形參閱教材 P31中的圖2-3(b)、(c)、(d)和(h)。2-4.將單相半波可控整流電路中電阻負(fù)載和電感性負(fù)載的工作原理作個(gè)比較，找出差別，并畫出電阻負(fù)載輸出電壓Ud、電流id和晶閘管電壓UV1波形；寫出Ud、Id計(jì)算公式。解：電阻性負(fù)載電路輸出電流id與輸出電壓ud相位相同，波形相似。晶閘管導(dǎo)通區(qū)間從“至兀，導(dǎo)通角。=兀一a。Ud波形從“至變壓器二次電壓正

26、變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)。電感性負(fù)載電路由于電感的儲(chǔ)能作用，輸出電流id與輸出電壓Ud相位不相同，電流id滯后于電壓Udo而且，電流id不能隨電壓Ud突變。晶閘管導(dǎo)通區(qū)間從 a開始并超過(guò)兀過(guò)零點(diǎn)，導(dǎo)通角 e兀 波形從a開始至變壓器二次電壓正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)后，進(jìn)入負(fù)半周。導(dǎo)通角0的大小,與負(fù)載電感值L有關(guān)，L越大，儲(chǔ)能越多，e亦越大，Ud波形進(jìn)入變壓器二次電壓負(fù)半周的 部分亦越多，輸出電壓的平均值U亦下降的越多。當(dāng)負(fù)載為大電感負(fù)載時(shí)，Ud近似等于零，此時(shí)輸出平均電流Id亦很小。電阻負(fù)載輸出電壓 Ud、電流id和晶閘管電壓UV1波形參閱教材 P27中的圖2-1。電阻負(fù)載Ud、Id計(jì)算公式如下:(1)整流輸出平均

27、電壓2U 2 sin .td( .t)1 21Ud=2U2 sin .td( .t) = -2 2,2=51 cos21 cos 0.45U22(2) .負(fù)載電流平均值Id="R2-5 .單相半波大電感負(fù)載可控整流電路中，帶續(xù)流二極管和不帶續(xù)流二管在輸出電壓Ud和電流id、晶閘管電壓UV1和電流iV1、續(xù)流二極管電壓 UV2和電流iV2波形上有何區(qū)別。 寫出帶續(xù)流二極管時(shí) Ud、id、iV1、iV2的平均值和有效值計(jì)算公式。解：不帶續(xù)流二管時(shí)，當(dāng)負(fù)載為大電感負(fù)載時(shí)，輸出電壓Ud波形與橫坐標(biāo)所圍的正負(fù)面積相等，Ud近似等于零，此時(shí)輸出平均電流Id亦很小。輸出電壓 Ud和電流id、晶閘管

28、電壓UV1和電流iv1的波形參閱教材 P30中的圖2-2。其中，iv1的波形與id的波形相同。帶續(xù)流二極管時(shí)，由于續(xù)流二極管的作用，晶閘管從a開始導(dǎo)通，至變壓器二次電壓正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)時(shí)，由于電感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用使續(xù)流二級(jí)管導(dǎo)通，晶閘管被迫關(guān)斷，所以，晶閘管導(dǎo)通區(qū)間從a至兀，導(dǎo)通角0 = Tt a o由于負(fù)載為大電感負(fù)載，所以負(fù)載電流id脈動(dòng)很小，近似為一平行橫坐標(biāo)的直線，晶閘管電流ivi、續(xù)流二極管電流iv2近似為正向矩形波,導(dǎo)通角分別為。=兀-00和。=兀+ 00。輸出電壓Ud和電流id、晶閘管電壓uvi和電流ivi、續(xù)流二極管電壓教材P31中的圖2-3。帶續(xù)流二極管時(shí)Ud、id、ivi、iV

29、2的平均值和有效值計(jì)算公式如下:(1)輸出電壓的平均值 Ud為1 cos Ud=0.45U22(2)輸出電壓的有效值值U為Uv2和電流iv2波形參閱(3 )IdUdR(4)2U2Sin t 2d輸出電流的平均值輸出電流的有效值值(5)晶閘管的平均電流t =U2一 sin 2Id為IviAR 為i , IviAR = I d d .t I d22(6)晶閘管電流的有效值Ivi為iIv1二 一,2Id2d( t).Id2(7)續(xù)流二極管的平均電流IV2AR 為iI V2AR =20 Idd .t 丁Id(8)時(shí)，U=80v, Id=7A。計(jì)續(xù)流二極管電流的有效值 Iv2為2-6.有一單相橋式全控整

30、流電路，負(fù)載為電阻性，要求 a =30。算整流變壓器的副邊電流 I2,按照上述工作條件選擇晶閘管。解：Id=Ud/R,貝U R=Ud/Id=80/70=1.14QUd=0.9U2X (1+cosa )/2U 2=95V2U2sin t d2 Rt = URTV2sin 2= 82.12 (A)I V12-7.單相全控橋式整流電路接大電感負(fù)載，已知U2=100V , R=10Q, a =45°。58 (A)IvEAR=Ivi/kfe =58/1.5737 (A)考慮裕量系數(shù)2,X 37= 74(A)2 . 2U 22 .2 95 268.7 (V)選額定電流100A、額定電壓300V的

31、晶閘管。(1)負(fù)載端不接續(xù)流二極管 V4 ,計(jì)算輸出整流電壓、電流平均值及晶閘管電流有效值。電流平均值及晶閘管、續(xù)流二級(jí)管(2)負(fù)載端接續(xù)流二極管 V4,計(jì)算輸出整流電壓、電流有效值。畫出Ud、id、Mii、iV4及變壓器次級(jí)電流i2的波形。解：(1)負(fù)載端不接續(xù)流二極管 V4時(shí)輸出電壓平均值為22 2U d 2U 2 sin .t d .t U 2 cos2 00.9U 2 cos=0.9 X 100 X 0.707 63.7(V)輸出直流電流平均值為IdUd-6.37 (A)R晶閘管電流的有效值為I V12121Idd .t =-= Id-4.5(A)2（2）負(fù)載端接續(xù)流二極管V4時(shí)輸出電

32、壓平均值Ud .2U2 sin .td .t 0.9U 2 1 cos0.9 100 0.854 76.8(V)22輸出直流電流平均值為Id %7.68 (A)R晶閘管與整流二極管電流的有效值IV1、IV2為4.70 (A)續(xù)流二極管電流的有效值 IV4為457.68 3.84 (A)變壓器二次電流的有效值I2為Id21dd.t:1d2Ivi 2 4.70 6.65 (A)接續(xù)流二極管時(shí)的Ud、id、iV11、iV4及變壓器次級(jí)電流i2的波形參閱教材P 41中的圖2-8。2-8.單相橋式半控整流電路接電阻性負(fù)載，要求輸出整流電壓 。100V連續(xù)可調(diào)，30V以上時(shí)要求負(fù)載電流能達(dá)到20A。當(dāng)（1

33、）采用220V交流電網(wǎng)直接供電；2）采用變壓器降壓供電，最小控制角OCmin=30°,試分析比較二種供電方式下晶閘管的導(dǎo)通角和電流有效值、交流側(cè)電流有效值及電源容量。解：（1）采用220V交流電網(wǎng)直接供電時(shí)1 cosU d0.9U d2當(dāng)輸出平均電壓 Ud為100V時(shí)cos2Ud0.9U22 1000.01010.9 220min 90當(dāng)輸出平均電壓U為30V時(shí)cos2Ud 10.9U22 3010.9 2200.6970max 134導(dǎo)通角Q = K-a ,所以晶閘管導(dǎo)通角0 =90°46° 。要求在此導(dǎo)通角范圍之間，均能輸出20A負(fù)載電流，故應(yīng)在最小即最大a

34、max時(shí)，計(jì)算晶閘管電流有效值和變壓器二次電流有效值。I d=20A,則晶閘管平均電流I V1A產(chǎn)I d/2=10A當(dāng) “ =134。=134 兀 / 180=0.7444 兀時(shí)波形系數(shù)為f1. sin 22(),2 (1 cos )3.22晶閘管電流的有效值為Ivi Kf1IV1AR 3.22 1032.2 (A)交流側(cè)電流的有效值為I2及1Vl45.5 (A)交流電源容量為S2 I2U245.5 220 10010VA 10.01KVA2)采用變壓器降壓供電時(shí)1 Ud=0.9 U2-cos2當(dāng)0C min=30 時(shí)，輸出電壓為100V,則變壓器二次電壓為2Ud0.91 cos2 1000.

35、91 cos30119 (V)當(dāng)Ud=30V時(shí)的最大控制角 a max為2Ud2 30119cos max 1 1 0.43980.9U 20.9“max= 116°晶閘管導(dǎo)通角e = Tt- a，則 0 = 150° 64°要求在此導(dǎo)通角范圍之間,均能輸出20A負(fù)載電流，故應(yīng)在最小。即最大a max時(shí)，計(jì)算晶閘管電流有效值和變壓器二次電流有效值。I d=20A,則晶閘管平均電流I V1A產(chǎn)I d/2=10A當(dāng) a =116° =116兀 / 180=0.6444 兀時(shí)波形系數(shù)為.sin 22 (K f1,2 (1 cos)2.69晶閘管電流的有效值I

36、V1Kf1Iv1AR 2,6910 26.9 (A)U2-U-0.9 1 cos2 800.91 cos3095.3(v)變壓器二次電流的有效值T2IV1 38.0 (A)變壓器二次容量S2I2U238.0 119 4522VA 4.52KVA可見，在可控整流電路輸出較低電壓時(shí)，采用變壓器供電有利于降低所用晶閘管的額定 電流和額定電壓，以及交流電源的容量。 因?yàn)椴捎米儔浩鞴╇娍墒箍煽卣麟娐吩谳^小控制 角a和較低的變壓器二次電壓下運(yùn)行。2-9.單相橋式半控整流電路，由220V經(jīng)變壓器供電，負(fù)載為大電感性并接有續(xù)流二極管。要求輸出整流電壓 2080V連續(xù)可調(diào)，最大負(fù)載電流為20A,最小控制角a

37、min = 30°。試計(jì)算晶閘管、整流管、續(xù)流二極管的電流平均值、有效值以及變壓器容量。U2解：1、在最小控制角 a min和最大整流輸出電壓時(shí)，計(jì)算變壓器二次電壓2、在最小整流輸出電壓時(shí)計(jì)算出最大控制角當(dāng)U=20V時(shí)的最大控制角 a max為2Ucos2 200.9U0.9 95.30.5336a ma)=122°3、在最不利的條件下，計(jì)算各器件的電流有效值和變壓器二次有效值I2,因?yàn)榫чl管、整流管、續(xù)流二極管電流有效值涉及管芯的發(fā)熱和合理選擇器件的電流額定容量。變壓器二次電流I 2涉及變壓器容量的選擇，這些量的計(jì)算必須以電路運(yùn)行中的最大值為基礎(chǔ)，以保證器件和設(shè)備的安全運(yùn)

38、行。晶閘管與整流二極管電流的平均值I V!AR、I V2A內(nèi)有效值I VI、I V2其最大值出現(xiàn)在"min=30。時(shí)，所以V1AR V2ARV1 V215036020 8.3 A150；36020 12.9 A續(xù)流二極管電流的平均值IV4AR與有效值IV4其最大值出現(xiàn)在a max=122°時(shí)，所以,122_ 八,IV4AR Id20 13.6 A1801V4 富 20 16.5A變壓器二次電流的有效值I 2其最大值出現(xiàn)在"min=30。時(shí)，所以I2. 21Id2 Id 2d .t Id 2Ivi 18.2A則變壓器二次容量S2I2U 218.2 95.3 1734

39、.5VA 1.7KVA2-10.單相橋式全控整流電路和單相橋式半控整流電路接大電感負(fù)載，負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管的作用是什么？?jī)烧叩淖饔檬欠裣嗤?？解：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐反箅姼胸?fù)載整流輸出平均電壓為22.2U d 2U 2 sin .t d .t U 2 cos 0.9U 2 cos2 0其負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管是為了使交流電源電壓進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，由續(xù)流二極管續(xù)流, 使晶閘管關(guān)斷，提高整流輸出電壓的平均值。整流輸出平均電壓為1 cosU d 0.9U d2單相橋式半控整流電路接大電感負(fù)載，負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管的作用是為了避免失控 現(xiàn)象的發(fā)生，保證整流電路的安全運(yùn)行。整流輸出平均電壓亦為Ud1 c

40、os0.9Ud22-11 .單相可控整流電路供電給電阻負(fù)載或蓄電池充電（反電勢(shì)負(fù)載），在控制角“相同，負(fù)載電流平均值相等的條件下，哪一種負(fù)載晶閘管的額定電流值大一些？為什么？解：反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載電路中晶閘管的額定電流大一些。因?yàn)楫?dāng)控制角為a時(shí)，電阻性負(fù)載時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角0 = - a。而反電動(dòng)勢(shì)式負(fù)載時(shí)，當(dāng)a小于不導(dǎo)電角8時(shí)，。=兀-2 8；當(dāng)a大于不導(dǎo)電角8時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角0 = - a - 8。所以，反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的波形系數(shù)K1大于電阻性負(fù)載時(shí)的波形系數(shù)當(dāng)負(fù)載電流平均值相等的條件下，反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的晶閘管電流的有效值大于電阻性負(fù)載時(shí)的晶閘管電流 的有效值。因此，反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載晶閘管的額定電流

41、大一些。2-12.直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)及其等效電路如何？串接平波電抗器的意義何在？解：直流電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，其等效電路為一直流反電動(dòng)勢(shì)和電阻串聯(lián)。由于反電勢(shì)的作用，晶閘管的導(dǎo)通角變小，負(fù)載電流將出現(xiàn)斷續(xù)，通常反電勢(shì)負(fù)載的內(nèi) 阻又很小，所以輸出同樣的平均電流，峰值電流很大，因而電流的有效值大，要求電源的容 量亦大。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，將使其機(jī)械特性變軟，整流換相時(shí)產(chǎn)生火花。為使負(fù)載電流連續(xù)，克服上述缺點(diǎn)，常在反電勢(shì)負(fù)載的整流輸出端串聯(lián)平波電抗器，其目的是利用電感的儲(chǔ)能作用來(lái)平衡電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。2-13.串平波電抗器電動(dòng)機(jī)負(fù)載與大電感負(fù)載在單相全控橋整流電路中，輸出電壓波形一樣

42、嗎？為什么？電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)Ed不起作用嗎?解：在理想的情況下，二種電路輸出電壓的波形是一樣的。因?yàn)槠讲娍蛊麟姼辛康倪x擇原則是：在最小的負(fù)載電流 Idmin (低速輕載情況下)時(shí)， 保證負(fù)載電流連續(xù)，即晶閘管導(dǎo)電角0 =180。這是在最不利情況下，為保證電流連續(xù)選擇的電感L值，當(dāng)負(fù)載電流大于Idmin時(shí)，L的儲(chǔ)能增多，電流就不會(huì)不連續(xù)。當(dāng)負(fù)載電流連續(xù) 時(shí)，其輸出電壓的波形與大電感負(fù)載電路相同電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)Ed 不是不起作用，串平波電抗器的反電勢(shì)負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角0=180° ,波形與大電感負(fù)載時(shí)相同，輸出電壓Ud交流分量幾乎全部降落在電抗器上，反電勢(shì)負(fù)載(例如直流電動(dòng)機(jī)

43、)上的電壓脈動(dòng)很小，負(fù)載電流i d 波形基本平直，可以近似看成為平行于橫坐標(biāo)的直線，晶閘管電流波形為180°的矩形波。所以，各種參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系，也與大電感負(fù)載時(shí)相同。只是由于反電勢(shì)的作用，負(fù)載電流的平均值為Id=(Ud-E)/R，2-14 對(duì)單相大電感性負(fù)載可控整流電路， 畫圖說(shuō)明全控橋和半控橋輸出電壓ud、 晶閘管電流iV1 和變壓器二次電流i2 波形的差別。半控橋加續(xù)流二極管與其不加續(xù)流二極管時(shí)又有何差別？解：?jiǎn)蜗嗳貥虼箅姼行载?fù)載可控整流電路，輸出電壓Ud、晶閘管電流ivi和變壓器二次電流i2波形如教材P37中的圖2-6(d)、(h)所示。晶閘管導(dǎo)電角為 0=汽， 對(duì)應(yīng)橋臂

44、對(duì)管輪流導(dǎo)通和關(guān)斷，電流iV1 波形為為 180°的正向矩形波。變壓器二次電流i2波形為正負(fù)180°的矩形波。當(dāng)a>0°時(shí)，輸出電壓u d波形將進(jìn)入交流電源的負(fù)半周。半控橋加接續(xù)流二極管V4 后， 輸出電壓Ud 和變壓器二次電流i2 的波形與不接續(xù)流二極管V4時(shí)相同，如教材P41中的圖2-8(d)、(j)所示。而晶閘管和整流二極管的導(dǎo)電角為0 =n-a。圖2-8 (f)和圖2-8 (i)波形上有斜線的部分不再存在，這部分的導(dǎo)電功能由續(xù)流 二極管 V4 來(lái)代替，如教材圖 2-8 ( l )所示。不加續(xù)流二極管時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角和整流二極管的導(dǎo)電角為0=汽，但圖

45、2-8 (f)和圖2-8 (i)波形上有斜線的部分對(duì)應(yīng)的a期間，為同一橋臂的晶閘管和整流二極管續(xù)流期間。半控橋不加續(xù)流二極管和加接續(xù)流二極管兩種情況的輸出電壓Ud波形是相同的，在 a角對(duì)應(yīng)的區(qū)間，輸出電壓Ud為零。變壓器二次電流i2波形為正負(fù)n-a的矩形波，在a角對(duì)應(yīng)的區(qū)間，由于是續(xù)流期間，變壓器二次電流i2 為零。但接續(xù)流二極管電路，在續(xù)流期間，第三章可控整流電路習(xí)題與思考題解3-1.分別畫出三相半波可控整流電路電阻負(fù)載和大電感負(fù)載在a為60。、90。的輸出電壓和晶閘管電壓、 電流、變壓器二次電流i2的波形圖。晶閘管導(dǎo)通角各為多少？輸出電壓 各為多少？解：(1)電阻性負(fù)載a =60°

46、;時(shí)，輸出電壓和晶閘管電壓、電流波形參閱教材P48中的圖3-4,其中晶閘管電流波形可在圖3-4(c)中讀出，變壓器二次相電流i2的波形圖與相對(duì)應(yīng)相的晶閘管電流波形 相同。a =90°時(shí)，可參照上述波形，將控制角a移至90°處開始即可，晶閘管仍導(dǎo)通至相電壓正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)處。由于a >30。時(shí)，Ud波形斷續(xù)，每相晶閘管導(dǎo)電期間為a至本相的正變負(fù)過(guò)零點(diǎn)，故有晶閘管導(dǎo)通角為0 = Tt - a -30整流輸出電壓平均值3Ud 2U 2 sin .td .t26U 2 1 cos 一260.675U2 1 cos 6當(dāng) a =60° 時(shí)，0 =90° , U

47、d=0.675 U。當(dāng) a =90° 時(shí)，0 =60° , Ud=0.675 U21-0.5=0.3375 U2。(2)大電感負(fù)載a =60°時(shí)，輸出電壓和晶閘管電壓、電流波形參閱教材P49中的圖3-5,變壓器二次相電流i2的波形圖與相對(duì)應(yīng)相的晶閘管電流波形相同。a =90°時(shí)，可參照上述波形，將控制角a移至90°處開始即可，但晶閘管導(dǎo)通角仍為0 = 120° 。由于大電感負(fù)載電流連續(xù)，則晶閘管導(dǎo)通角為0 = 120°整流輸出平均電壓為Ud.2U 2 sin .td.t %U2cos21.17U2 cos當(dāng) a =60

48、76; 時(shí)，=120° ,Ud=1.17 U2cos60° =0.585U2。當(dāng) a =90° 時(shí)，0 =120° ,Ud=1.17 Ucos90° =03-2.三相半波可控整流電路向大電感性負(fù)載供電，已知U2=220V、R=11.7Qo計(jì)算a=60。時(shí)負(fù)載電流id、晶閘管電流ivi、變壓器副邊電流i2的平均值、有效值和晶閘管上最大可能正向阻斷電壓值。改為電阻負(fù)載，重復(fù)上述計(jì)算。解：(1)大電感負(fù)載整流輸出平均電壓為Ud 1.17U 2 cos 1.17 220 0.5 128.7 (V)負(fù)載電流平均值為Ud128.711.711(A)負(fù)載電流

49、有效值為. Ud 128.7I Id - 11 (A)R 11.7晶閘管電流的平均值1V1AR為,1 ,1 一一I V1AR- I d- 113.7(A)33晶閘管電流的有效值為116.35(A)3.7(A)11 6.35(A)變壓器二次電流平均值為11I 2AR I V1 AR Id 1133變壓器二次電流有效值為11I 2 I V1 _T d-, 33三相半波可控整流電路可能出現(xiàn)的最大正向阻斷電壓為uFM .6U2.6 220 538.9 (V)當(dāng)a =60°時(shí)的實(shí)際正向阻斷電壓為.3u 6U 2 sin 60,6 220 466.8(V)F2(2)電阻性負(fù)載由于a >30

50、。時(shí)，Ud波形斷續(xù)，每相晶閘管導(dǎo)電期間為a至本相的正變負(fù)過(guò)零點(diǎn)，故有整流輸出電壓平均值3.Ud 一2U2sin .td26.t3、2J”cos 一60.675U2 1 cos 6148.6(V)負(fù)載電流平均值為, Ud 148.6Id 12.7(A)R 11.72U2sin t 2dtU2負(fù)載電流有效值為121 sin 22 16.3(A)晶閘管電流的平均值I V1AR 為,1 ,1 _Iaivr Id 12.733晶閘管電流的有效值為4.2(A)I V12U2sin t 2 , dU21 . 2-sin 21,八“八-3 I =9.4(A)變壓器二次電流平均值為11I 2 AR I A1VR

51、 二 Id 二 12.7 4.2(A) 33變壓器二次電流有效值為I2 Ivi 9.4(A)由于a >30。，負(fù)載電流出現(xiàn)斷續(xù)，所以，電路可能出現(xiàn)的最大正向阻斷電壓為uFM , 2U 2、.2 220 311 (V)3-3.某電解裝置系電阻性負(fù)載，要求輸出電壓Ud=220V,輸出電流Id=400A,采用經(jīng)整流變壓器的三相半波可控整流電路，電源是三相380V的交流電網(wǎng)，考慮 amin=30。，估算此時(shí)整流變壓器的次級(jí)容量與,并與a =0。時(shí)的次級(jí)容量 S20作比較，然后加以說(shuō)明。最后選擇晶閘管。解：由于“W 30° ,整流輸出平均電壓U d 1.17U 2 cosU21.17 c

52、os.當(dāng) a = a min=30° 時(shí)，U2Ud2201.17 cos1.17 0.866217.1(V)UdId2204000.55(a)Ud變壓器二次相電流有效值為I 2 I V121：62U2 sin t 2 , dU21 2R 233 cos22217.1 0.6342 250.3(A)0.55則 S2=3U2I2=3X 217.1 X 250.3=163020.4(VA) =163(KVA)(2) .當(dāng) a = 0° 時(shí),201.170.55Ud1.17 cos0.68642201.17I 202U 2 sin t 2 , dR234.6 (A)188 (V)U

53、212R I 23貝U S20=3U20I20=3X 188 X 234.6=132314.4(VA)132.3(KVA)從上可見，S2>S20O說(shuō)明可控整流電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量使其在較小的控制角“下運(yùn)行。這樣，在輸出同樣大小負(fù)載電流時(shí)，使整流晶閘管電流和變壓器二次電流、電壓的有效值較小，可降低器件和變壓器的額定容量。由于晶閘管電流的有效值I V1=I 2=250.3A當(dāng)不考慮安全裕量時(shí) I vea=I vi/1.57=250.3 / 1.57=159.4(A)晶閘管承受的最高電壓峰值為.6U2.6 217.1 531.8(v)按裕量系數(shù)22X 159.4=318.8(A)2 X 531.8=1063.6(V)選擇額定通態(tài)平均電流為400A,額定電壓為1200V的晶閘管。3-4.在三相半波可控整流電路中，如果控制脈沖出現(xiàn)在自然換相點(diǎn)以前，可能出現(xiàn)什么情況，能否換相？畫出波形圖分析說(shuō)明。解：出現(xiàn)在換相點(diǎn)之前的觸發(fā)脈沖，不能完成晶閘管的換相。電阻負(fù)載波形圖參閱教材P47中的圖3-3 (b)、 ( c)、 ( d)和P48中的圖3-3 (a)、(b)、(c),當(dāng)觸發(fā)B相晶閘管V12的觸發(fā)脈沖2出現(xiàn)在自然換相點(diǎn) S之前時(shí)，則B相晶閘管V12承受反向電壓不能導(dǎo)通，A相晶閘管V1 1將繼續(xù)導(dǎo)通至該相相電壓